质子交换膜燃料电池金属双极板电化学耐腐蚀性测试装置的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池测试技术领域，具体而言，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池金属双极板电化学耐腐蚀性测试装置。


背景技术：

2.双极板是燃料电池中的核心组件，其占电堆总成本的30％，总质量的80％，其作用是支撑膜电极，传递产生的电流，为反应气体和水提供通道，参与电池的热管理等。因此，双极板材料要具有一定的机械强度，良好的电导率和热导率，优秀的耐腐蚀性和气密性等性质。金属双极板由于其较高的电导率、良好的成形性和较低的成本被重点研究和开发。但是由于燃料电池独特的工作方式，会使得双极板处于高温、高湿度且呈弱酸性的工作环境中，这就对金属双极板的耐蚀性提出了很高的要求。
3.传统评价金属双极板材料的耐蚀性时多选用平板样品，而因为测试不便等因素较少会选用带有流场结构的双极板进行耐蚀性评价。然而由于缺少流场结构，平板样品表面涂层的均一性更好，且没有流道形变区域的微观缺陷和应力集中，因此平板与带有流场结构的双极板会存在一定的性能偏差。另外，对带有流道结构的双极板进行耐蚀性测试时，也更多地选用涂密封胶的方式进行密封，这不仅降低测试效率，还将密封胶引入电化学体系内，导致工作电极有效面积出现偏差和测试结果不精确等情况发生。因此，设计一种便捷的燃料电池金属双极板电化学测试装置显得尤为必要。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种质子交换膜燃料电池金属双极板电化学耐腐蚀性测试装置，解决了带有流道结构的双极板与溶液体系间的密封问题，排除了由密封方式不同引起的测试结果偏差。
5.本实用新型采用的技术手段如下：
6.一种质子交换膜燃料电池金属双极板电化学耐腐蚀性测试装置，包括底盖、铂电极、电解液容器、双极板载具、密封盖和导电顶盖；
7.所述电解液容器一端通过密封垫圈ⅰ密封安装于所述底盖的凹槽内，另一端安装于所述双极板载具的通孔内；
8.所述铂电极通过铂电极固定插头固定安装于所述凹槽内，所述铂电极表面与所述凹槽底面紧密贴合；
9.所述密封盖通过螺纹密封安装于所述通孔；所述通孔内部设置样品台，裁剪好的待测试双极板样品配合密封垫圈ⅱ安装于所述样品台内；所述样品台与所述电解液容器之间有测试空间；
10.所述密封盖为中空结构，所述导电顶盖一端伸入所述密封盖内部并通过螺纹密封安装于所述密封盖，且位于所述密封盖内部的端面与所述待测试双极板样品相接触；所述导电顶盖设置有细圆柱杆，用于连接至电化学工作站；
11.所述双极板载具设置有一个参比电极通道和两个气体通道，且所述参比电极通道和所述气体通道均连通至所述测试空间；所述参比电极通道用于插入带有鲁金毛细管的参比电极；所述气体通道用于插入气体管。
12.进一步地，所述电化学工作站的工作电极夹头、参比电极夹头和辅助电极夹头分别与所述细圆柱杆、所述参比电极和所述铂电极固定插头相连接。
13.进一步地，所述双极板载具还设置有一个排水通道，所述排水通道连通至所述测试空间。
14.进一步地，所述电解液容器外表面设置外置加热片。
15.进一步地，所述凹槽侧壁设置有用于放置所述密封垫圈ⅰ的密封垫圈凹槽。
16.进一步地，所述密封垫圈ⅱ的宽度为0.5cm，所述待测试双极板样品为半径为2.8
±
0.01cm的圆形样品，所述待测试双极板样品的测试面为半径2.3
±
0.01cm的圆形。
17.进一步地，所述底盖、所述双极板载具和所述密封盖的材料为聚四氟乙烯，所述电解液容器的材料为玻璃或聚四氟乙烯。
18.进一步地，所述密封垫圈ⅰ和所述密封垫圈ⅱ的材料为橡胶，所述铂电极固定插头的材料为铜，所述固定杆与螺母的材料为不锈钢。
19.进一步地，还包括固定杆，所述底盖与所述双极板载具之间通过所述固定杆相连接。
20.进一步地，所述底盖和所述双极板载具均设置有用于安装所述固定杆的固定杆孔，所述固定杆穿过所述固定杆孔并通过螺母固定。
21.较现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
22.通过对比传统密封胶涂抹对进行质子交换膜燃料电池金属双极板密封所测得的电化学腐蚀结果，本实用新型提供的质子交换膜燃料电池金属双极板电化学耐腐蚀性测试装置可以有效对波纹板与溶液体系进行良好密封，避免了将密封胶引入测试体系带来的测试效率低和测试结果不精准等问题；提出了样品测试面积与溶液体积比范围，避免了测试过程中电解液浓度改变带来的结果偏差；参比电极与工作电极的相对位置更加紧凑且固定，改善了由溶液欧姆电压降引起的电位偏移现象；同时通过外置加热片代替循环水浴升温可实现多样品同时测试，缩短了测试前的准备工作，大大提高了测试效率。
23.基于上述理由本实用新型可在燃料电池测试领域广泛推广。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本实用新型所述质子交换膜燃料电池金属双极板电化学耐腐蚀性测试装置结构示意图。
26.图2为所述双极板载具结构示意图。
27.图3为采用本实用新型提供的所述测试装置与传统涂胶密封方式对带有流道结构的双极板进行电化学测试得到的恒电位极化曲线。
28.图中：1、底盖；2、铂电极；3、铂电极固定插头；4、电解液容器；5、密封垫圈ⅰ；6、固定杆；7、双极板载具；8、密封垫圈ⅱ；9、密封盖；10、导电顶盖；11、参比电极通道；12、气体通道；13、排水通道；14、样品台。
具体实施方式
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
30.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
32.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
33.在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
34.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
35.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
36.实施例1
37.如图1-3所示，本实用新型提供了一种质子交换膜燃料电池金属双极板电化学耐腐蚀性测试装置，包括底盖1、铂电极2、电解液容器4、固定杆6、双极板载具7、密封盖9和导电顶盖10；
38.所述电解液容器4一端通过密封垫圈ⅰ5密封安装于所述底盖1的凹槽内，另一端安装于所述双极板载具7的通孔内；
39.所述底盖1与所述双极板载具7之间通过所述固定杆6相连接；
40.圆形的所述铂电极2通过铂电极固定插头3固定安装于所述凹槽内，所述铂电极2表面与所述凹槽底面紧密贴合；所述铂电极固定插头3穿过所述底盖1与所述铂电极2固定连接；
41.所述通孔内壁设置第一螺纹，所述密封盖9通过外部设置的第二螺纹配合所述第一螺纹密封安装于所述通孔；所述通孔内部设置样品台14，裁剪好的待测试双极板样品配合密封垫圈ⅱ8安装于所述样品台14内；所述样品台14位于所述电解液容器4安装于所述通孔内的端面与所述密封盖9之间，且所述样品台14与所述电解液容器4之间有测试空间；
42.所述密封盖9为中空结构且内部设置第三螺纹，所述导电顶盖10一端伸入所述密封盖9内部并通过外部设置的第四螺纹配合所述第三螺纹密封安装于所述密封盖9，且位于所述密封盖9内部的端面与所述待测试双极板样品相接触；所述导电顶盖10设置有5cm长的细圆柱杆，用于与电化学工作站的工作电极夹头相连接，所述导电顶盖10用于传导所述电化学工作站工作电极产生的电流；
43.所述双极板载具7设置有一个参比电极通道11、两个气体通道12和一个排水通道13，所述参比电极通道11、所述气体通道12和所述排水通道13分别通过螺纹安装于所述双极板载具7，且所述参比电极通道11、所述气体通道12和所述排水通道13均连通至所述测试空间；
44.所述参比电极通道11用于插入带有鲁金毛细管的参比电极；所述气体通道12用于插入气体管，通过所述气体管对所述测试空间内的电解液进行通气处理；所述排水通道13用于排出测试过后的废液。
45.进一步地，所述电化学工作站的工作电极夹头、参比电极夹头和辅助电极夹头分别与所述细圆柱杆10、所述参比电极和所述铂电极固定插头3相连接。
46.进一步地，所述电解液容器4外表面设置外置加热片，用于为内部电解液升温至80℃并保温，所述外置加热片代替了传统水浴加热，避免了由水浴设备条件与数量带来的测试效率低下问题，可实现多个样品同时测试。
47.进一步地，所述凹槽侧壁设置有用于放置所述密封垫圈ⅰ5的密封垫圈凹槽。
48.进一步地，所述底盖1和所述双极板载具7均设置有用于安装所述固定杆6的固定杆孔，所述固定杆6穿过所述固定杆孔并通过螺母固定。
49.进一步地，所述固定杆6的数量为4个。
50.进一步地，所述密封垫圈ⅱ8的宽度为0.5cm，所述待测试双极板样品为半径为2.8
±
0.01cm的圆形样品，所述待测试双极板样品的测试面为半径2.3
±
0.01cm的圆形。
51.进一步地，所述底盖1、所述双极板载具7和所述密封盖9的材料为聚四氟乙烯，所述电解液容器4的材料可根据电解液成分选择为玻璃或聚四氟乙烯。
52.进一步地，所述密封垫圈ⅰ5和所述密封垫圈ⅱ8的材料为橡胶，所述铂电极固定插头3的材料为铜，所述固定杆6与螺母的材料为不锈钢。
53.进一步地，所述待测试双极板样品的测试面积与所述电解液容器4内电解液溶液体积的比例为1/30cm2/ml～1/60cm2/ml。
54.工作过程：测试前，制备待测试双极板样品，完成所述测试装置的装配，将电解液缓缓倒入电解液容器4内，而后将带有鲁金毛细管的参比电极插入参比电极通道11，将气体管插入气体通道12对电解液进行通气，然后通过外置加热片对内部电解液加热升温，将电化学工作站的工作电极夹头、参比电极夹头和辅助电极夹头分别与细圆柱杆10、参比电极和铂电极固定插头3相连接，打开电化学工作站，对样品进行0.84v(vs.she)恒电位极化测试10h，同时将样品在传统密封装置内模拟质子交换膜燃料电池阴极工作环境进行0.84v(vs.she)恒电位极化测试10h，作为对比实验，两种测试结果数据对比如图3和表1所示。
55.表1.本实用新型提供的测试装置与传统涂胶密封方式的差异对比
[0056][0057][0058]
根据图3对比看出本实用新型所述测试装置测得的曲线较为平滑，不存在明显电流波动，而传统密封装置由于引入了密封胶进入溶液体系，且参比电极与测试样品表面距离稍远，导致电流值稍高，电流密度曲线波动明显。从表1中可以看出本实用新型所述测试装置测节省了测试前准备样品的时间，大大提高了测试效率；相比于涂胶密封的面积控制较困难，本实用新型所述测试装置测的有效测试面积精度较高；确定了测试面积与溶液体积的比值范围，减小由电解质浓度偏差所导致的测试误差。
[0059]
本实用新型提供的电化学测试装置可实现双极板平板样品与带有流道结构的双极板样品测试，解决了带有流道结构的双极板与溶液体系间的密封问题，避免了由密封问题带来的测试误差，且缩短了测试前的准备工作，大大提高了测试效率；缩小了参比电极与测试样品间的距离，并给出了测试面积与溶液体积的比例约为1/30cm2/ml～1/60cm2/ml，较小的面积-溶液体积比可以避免测试时溶液浓度显著变化带来的测试误差，有助于测试结果的统一。
[0060]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。